2.3. Trang bị điện - điện tử lò điện trở
2.3.1. Khái niệm chung và phân loại
Lò điện trở làm việc dựa trên cơ sở định luật Joule - Lence là: khi cho dòng điện chạy qua dây dẫn thì trên dây dẫn (dây đốt) toả ra một nhiệt lượng, nhiệt lượng này tính theo biểu thức:
Q = I2Rt =UR2t(J) (2.2) trong đó: I là cường độ dòng điện chạy qua dây đốt (A);
R là điện trở chạy qua dây đốt ();
t là thời gian dòng điện chạy qua dây đốt (s);
U là điện áp đặt vào dây đốt (V).
Từ dây đốt qua bức xạ nhiệt, truyền nhiệt dẫn nhiệt và đối lưu trong đó chủ yếu là bức xạ, nhiệt năng được truyền tới vật cần gia nhiệt.
Nguyên lý làm việc của lò điện trở được biểu diễn trên hình 2.12).
2. Phân loại lò điện trở
* Phân loại theo phương pháp toả nhiệt
- Lò điện trở tác dụng trực tiếp: là lò điện trở mà vật nung được nung nóng trực tiếp bằng dòng điện chạy qua nó. Đặc điểm của lò này là tốc độ nung nhanh, cấu trúc lò đơn giản. Để đảm bảo nung đều thì vật nung có tiết diện giống nhau theo suốt chiều dài của vật.
- Lò điện trở tác dụng gián tiếp: là lò điện trở mà nhiệt năng toả ra ở dây dẫn điện trở (dây đốt, rồi dây dẫn sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lưu hoặc dẫn nhiệt.
* Phân loại theo nhiệt độ làm việc của lò
- Lò nhiệt độ thấp: nhiệt độ làm việc của lò dưới 6500C.
- Lò nhiệt độ trung bình: nhiệt độ làm việc của lò từ 6500C đến 12000C.
- Lò nhiệt độ cao: nhiệt độ làm việc của lò lớn hơn 12000C.
* Theo nơi sử dụng
- Lò dùng trong công nghiệp.
- Lò dùng trong phòng thí nghiệm.
- Lò dùng trong gia đình...
* Theo đặc điểm làm việc
- Lò làm việc liên tục: lò làm việc được cấp điện liên tục và nhiệt độ lò sau quá trình khởi động sẽ tăng từ nhiệt độ môi trường ban đầu tới một nhiệt độ ổn định nào đó và giữ ổn định ở nhiệt độ này. Lò làm việc liên tục được khống chế nhiệt độ theo phương pháp đóng - cắt nguồn thì nhiệt độ sẽ dao động quanh giá trị nhiệt độ cần ổn định. Trị số nhiệt độ ổn định tuỳ thuộc vào thời gian đóng và cắt.
- Lò làm việc gián đoạn: thời gian nguội trở lại nhiệt độ môi trường thường lớn hơn thời gian nóng lên của lò từ nhiệt độ môi trường tới nhiệt độ ổn định.
2
1 3 4
6 5
a) b)
Hình 2.12. Nguyên lý làm việc của lò điện trở a. đốt nóng trực tiếp; b. đốt nóng gián tiếp
1.Vật liệu được nung nóng trực tiếp; 2. cầu dao; 3. biến áp; 4. Đầu cấp điện;
5. dây đốt; 6. vật liệu được nung nóng gián tiếp
* Theo kết cấu lò
Có các loại: lò buồng, lò giếng, lò bể, lò chụp, lò ống, lò đẩy, lò băng, lò quay...
- Lò buồng thường dùng để nhiệt luyện kim loại (thường hoá, ủ, thấm than...). lò buồng được chế tạo với cấp công suất từ 15 KW đến 75 KW, nhiệt độ làm việc tới 9500C. Lò buồng dùng để tôi dao cụ có nhiệt độ làm việc tới 13500C, dùng dây đốt bằng các thanh nung cacbuarun.
- Lò giếng thường dùng để tôi kim loại và nhiệt luyện kim loại. Buồng lò có hình trụ tròn được chôn sâu trong lòng đất có nắp đậy. Lò giếng được chế tạo với cấp công suất từ 30 đến 75 KW.
- Lò đẩy có buồng kích thước chữ nhật dài. Các chi tiết cần nung được đặt lên giá và tôi theo từng mẻ. Giá đỡ chi tiết được đưa vào buồng lò theo đường ray bằng một bộ đẩy dùng kích thuỷ lực hoặc kích khí nén.
- Lò băng: buồng lò có tiết diện chữ nhật dài, có băng tải chuyển động liên tục trong buồng lò. Chi tiết cần gia nhiệt được xắp xếp trên băng tải. Lò buồng thường dùng để sấy chai, lọ trong công nghiệp chế biến thực phẩm.
- Lò quay thường dùng để nhiệt luyện các chi tiết có kích thước nhỏ (bi, vòng bi, con lăn...), các chi tiết cần gia nhiệt được bỏ trong thùng, trong quá trình nung nóng, thùng quay liên tục nhờ một hệ thống truyền động điện.
3. Yêu cầu đối với vật liệu dùng làm dây đốt
Dây đốt là bộ phận phát nhiệt của lò, làm việc trong những điều kiện khắc nghiệt do đó đòi hỏi phải đảm bảo các yều cầu sau:
- Chịu nóng tốt, ít bị ôxy hoá ở nhiệt độ cao.
- Phải có độ bền cơ học cao, không bị biến dạng ở nhiệt độ cao.
- Điện trở suất phải lớn.
- Hệ số nhiệt điện trở phải nhỏ.
- Các tính chất điện phải cố định hoặc ít thay đổi.
- Các kích thước phải không thay đổi khi sử dụng.
- Dễ gia công, dễ hàn hoặc dễ ép khuôn.
4. Vật liệu làm dây đốt
* Dây đốt bằng hợp kim
- Hợp kim Crôm - Niken (Nicrôm) có độ bền nhiệt cao vì có lớp màng ôxit Crôm (Cr2O3) để bảo vệ, dẻo, dế gia công, điện trở suất lớn, hệ số nhiệt điện trở bé.
- Hợp kim Crôm - nhôm (Fexran), có đặc điểm như hợp kim Nicrom nhưng có nhược điểm là giòn, khó gia công, độ bền cơ học kém trong môi trường nhiệt độ cao.
* Dây đốt bằng kim loại
Thường dùng những kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao: Molipden (Mo), Tantan (Ta) và Wonfram (W) dùng cho các lò điện trở chân không hoặc lò điện trở có khí bảo vệ.
* Dây đốt bằng vật liệu kim loại
- Vật liệu Cacbuarun (SiC) chịu được nhiệt độ cao tới 14500C, thường dùng cho lò điện trở có nhiệt độ làm việc cao, dùng để tôi dụng cụ cắt gọt.
- Vật liệu Cripton là hỗn hợp của graphit, cacbuarun và đất sét, chúng được chế tạo dưới dạng hạt có đường kính 2 - 3mm, thường dùng cho lò điện trở trong phòng thí nghiệm yêu cầu nhiệt độ làm việc tới 18000C.
5. Tính toán kích thước dây đốt
Ở đây ta chỉ tính toán dây đốt bằng kim loại và hợp kim.
Dây đốt làm từ kim loại và hợp kim được chế tạo với hai tiết diện: tiết diện tròn và tiết diện hình chữ nhật.
Đối với tiết diện tròn cần tính hai thông số: đường kính dây (d) và chiều dài dây đốt (L).
Đối với dây đốt tiết diện hình chữ nhật cần xác định các cạnh a, b (b/a = m = 5 : 10) và chiều dài dây đốt (L).
Trong thực tế có hai loại lò: một pha và ba pha. Nếu công suất của lò lớn hơn 5 KW phải làm lò ba pha, tránh hiện tượng lệch phụ tải cho lưới điện. Nhưng khi tính toán chỉ cần tính toán cho một pha, vì trị số điện trở của dây đốt ba pha phải như nhau.
Việc tính toán kích thước dây điện trở dựa vào hai biểu thức sau:
- Biểu thức phản ánh quá trình biến đổi điện năng thành nhiệt năng:
W.F.10-3
P (KW) (2.3)
- Biểu thức phản ánh các thông số điện:
2 3 2 3
10 U . 10 R . P U
(KW) (2.4)
trong đó:
P là công suất của dây đốt (KW);
W là công suất bề mặt riêng của dây đốt thực (W/cm2);
F là diên tích xung quanh của dây đốt (cm2);
U là điện áp giữa hai đầu dây đốt (V);
R là điện trở dây đốt ();
là điện trở suất của vật liệu chế tạo dây đốt (/mm2);
L là chiều dài dây đốt (m);
S là diện tích của tiết diện cắt ngang của dây đốt (mm2).
P = W.C.L.10-2 (KW) (2.5) trong đó: C là chu vi của dây đốt (mm).
Từ biểu thức (2.5) rút ra:
C . W.10 L P
d
2 (m) (2.6)
Từ biểu thức (2.4) rút ra:
2 3
10 . . P S.
L U
(m) (2.7)
Cân bằng hai biểu thức (2.6) và (2.7) ta có:
5 2
2 .10
.W UP S.
S.
C (mm3) (2.8)
* Đối với dây đốt có tiết diện tròn C = .d ;
4d S . 2 thay vào (2.8) ta có d là:
3 2 2
2 5
W . U . . .P 10 . d 4
(mm) (2.9)
3 2
2
W . . . 410. .U S.
L R
(m) (2.10)
* Đối với dây đốt có tiết diện hình chữ nhật C = 2.(a + b) = 2.a.(m+1) S = a.b = m.a2
Thay vào biểu thức (2.8) ta tìm được a là:
3 2
2 4
W . U ).
1 m .(
m 5.10 . .P
a (mm) (2.11)
2 2
2
W . . ) 1 m
(2,5.P.U .m S.
L R
(m) (2.12)
6. Khống chế và ổn định nhiệt độ lò điện trở Theo định luật Joule - Lence:
Q = 0,238.I2.R.t (cal) (2.13) trong đó: Q là nhiệt lượng toả ra của dây đốt (cal);
I là dòng điện đi qua dây đốt (A);
R là điện trở của dây đốt ();
t là thời gian dòng điện đi qua dây đốt (thời gian nung) (s).
Thời gian nung chi tiết đến nhiệt độ yêu cầu:
a t ) t .(
C .
t G 1 2 (s) (2.14)
trong đó: G là khối lượng của chi tiết có độ dài 100mm (kg);
t1 là nhiệt độ yêu cầu (0C);
t2 là nhiệt độ môi trường (0C);
C là nhiệt dung trung bình của chi tiết cần nung;
a là tốc độ toả nhiệt của chi tiết có độ dài 100 mm (kcal/s).
Công suất điện cần cung cấp cho chi tiết nung có độ dài là l mm:
10018l.a.
,
P2 4 (KW) (2.15)
Công suất tiêu thu của lò điện trở:
cosP
P1 2 (KW) (2.16)
trong đó: là hiệu suất của lò ( = 0,7 0,75);
cos là hệ số công suất của lò (cos = 0,8 0,85).
Từ các biểu thức nêu trên ta rút ra rằng: để điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở có thể thực hiện bằng cách điều chỉnh công suất cấp cho lò điện trở.
Điều chỉnh công suất lò điện trở có thể thực hiện bằng các phương pháp sau:
- Hạn chế công suất cấp cho dây đốt bằng cách đấu thêm điện trở phụ (cuộn không bão hoà, điện trở).
- Dùng biến áp tự ngẫu hoặc biến áp có nhiều đầu dây sơ cấp để cấp điện cho lò điện trở.
- Thay đổi sơ đồ đấu dây củadây đốt (từ tam giác sang sao hoặc từ nối tiếp sang song song).
- Đóng cắt nguồn cấp cho dây đốt theo chu kì.
- Dùng bộ điều áp xoay chiều để thay đổi trị số điện áp cấp cho dây đốt
* Các loại cảm biến nhiệt độ
Sơ đồ khối chức năng của hệ thống điều chỉnh và ổn định nhiệt độ được biểu diễn trên hình 2.13.
Trong sơ đồ khối chức năng gồm có các khâu chính như sau:
- Lò điện trở 3 là đối tượng điều chỉnh với tham số điều khiển là nhiệt độ của lò (t0).
2 3
4
t0đặt t0
t0ph
-
Hình 2.13. Sơ đồ khối chức năng của hệ thống điều chỉnh và ổn định nhiệt độ lò điện trở
1
- Bộ điều chỉnh và ổn định nhiệt độ 2 (thay đổi các thông số nguồn cấp cho lò điện trở).
- Bộ tổng hợp tín hiệu điều khiển 1: = t0đặt - t0ph
- Cảm biến nhiệt độ 4, có chức năng gia công ra một tín hiệu điện tỉ lệ với nhiệt độ của lò.
Để nâng cao độ chính xác khi khống chế và ổn định nhiệt độ của lò điện trở, hệ thống điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở là một hệ thống kín.
Việc điều chỉnh và ổn định nhiệt độ của lò được thực hiện thông qua việc thay đổi các thông số nguồn cấp cho lò. Như vậy tín hiệu phản hồi tỉ lệ với nhiệt độ của lò phải là tín hiệu điện, chính cảm biến nhiệt độ sẽ thực hiện chức năng đó trong hệ thống khống chế và ổn định nhiệt độ lò điện trở.
Hiện nay thường dùng các loại cảm biến nhiệt độ như sau:
- Nhiệt kế thuỷ ngân: chiều cao của cột nước thuỷ ngân tỉ lệ với nhiệt độ của lò. Cấu tao của nó gồm có: 1 điện cực tĩnh (có thể dịch chuyển được bằng nam châm vĩnh cửu); 2 nước thuỷ ngân đóng vai trò như một điện cực động; 3 vỏ thuỷ tinh . Như vậy điện cực 1 và 2 tạo thành một cặp tiếp điểm. Khi nhiệt độ trong lò nhỏ hơn trị số nhiệt độ đặt, tiếp điểm 1 - 2 hở, còn khi nhiệt độ lò bằng hoặc lớn hơn nhiệt độ đặt, tiếp điểm 1 - 2 kín. Việc thay đổi trị số nhiệt độ đặt thực hiện bằng cách dịch chuyển điện cực tĩnh 1 bằng nam châm vĩnh cửu. Ưu điểm của nhiệt kế thuỷ ngân là cấu tạo đơn giản, cùng một lúc thực hiện ba chức năng: cảm biển, khâu chấp hành và chỉ thị nhiệt độ. Nhược điểm của nhiệt kế thuỷ ngân là chỉ dùng được với lò điện nhiệt độ thấp ( t0 < 6500C), độ nhạy không cao do quán tính nhiệt của nước thuỷ ngân lớn.
- Nhiệt điện trở (RN). Trị số điện trở của nhiệt điện trở thay đổi theo nhiệt độ theo biểu thức sau:
RRN = RRN0(1+t0) () (2.17) trong đó: RRN là trị số điện trở của nhiệt điện trở ();
RRN0 là trị số điện trở của nhiệt điện trở trong điều kiện tiêu chuẩn (nhiệt độ môi trường) ();
là hệ số nhiệt điện trở;
Ưu điểm của nhiệt điện trở là cấu tạo đơn giản, kích thước nhỏ gọn, dễ gá lắp trong lò. Nhược điểm của nhiệt điện trở chỉ dùng được với lò nhiệt độ thấp (t0 <
6500C), trị số điện trở của nó chỉ tỉ lệ tuyến tính với nhiệt độ trong một dải nhất định.
- Cặp nhiệt ngẫu (CNN) hay còn gọi là can nhiệt. Khi đưa can nhiệt vào lò, nó sẽ xuất hiện một sức nhiệt điện e, trị số của e tỉ lệ tuyến tính với nhiệt độ của lò. Ưu điểm là trị số sức nhiệt điện e tỉ lệ với nhiệt độ trong một dải rất rộng, được dùng
trong tất cả các loại lò nhiệt độ làm việc tới 13500C. Nhược điểm là trị số sức nhiệt điện rất bé lên cần có một khâu khuếch đại chất lượng cao.